(57)【要約】  【課題】量子吸収体を透過する透過曲線の非対称性に起因する周波数の測定誤差を低減することのできる装置及び方法を提供する。  【解決手段】装置〔１００〕は、共通高エネルギー状態に結合される第１及び第２の低エネルギー状態を備え、高低エネルギー状態間の遷移が電磁放射線によって誘導される量子吸収体〔１０２〕を備える。νＬ−νの周波数と第１のＣＰＴ成分振幅を備える第１のＣＰＴ発生周波数成分、及びνＬ＋νの周波数と第２のＣＰＴ成分振幅を備える第２のＣＰＴ発生周波数成分を備える電磁放射線が、量子吸収体〔１０２〕に照射される。νの値を変更可能なＣＰＴサーボ・ループ、及び量子吸収体〔１０２〕の透過光が示す周波数ν０に対しての非対称性を弱めるように、νＬ、第１のＣＰＴ成分振幅、及び第２のＣＰＴ成分振幅を変更可能な非対称サーボ・ループ〔１０５、１０８〕を備える。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通高エネルギー状態に結合される第１及び第２の低エネルギー状態を備え、前記第１の低エネルギー状態と前記共通高エネルギー状態との間または前記第２の低エネルギー状態と前記共通高エネルギー状態との間の遷移が電磁放射線によって誘導される材料を含む、量子吸収体と、
νＬ−νの周波数と第１のＣＰＴ成分振幅を備える第１のＣＰＴ発生周波数成分、及び、νＬ＋νの周波数と第２のＣＰＴ成分振幅を備える第２のＣＰＴ発生周波数成分を備え、前記第１及び第２のＣＰＴ発生周波数成分が前記量子吸収体を照射することになる、電磁放射線を発生する電磁放射線源と、
周波数ν０に関して、ある周波数範囲内において周波数νの関数として非対称性を示す、前記量子吸収体を出る電磁放射線のパワーに関連した検出器信号を発生するための検出器と、
前記検出器信号に応答してνを変更するＣＰＴサーボ・ループと、
前記非対称性を弱めるやり方で、νＬ、前記第１のＣＰＴ成分振幅、及び、前記第２のＣＰＴ成分振幅の１つを変更する非対称サーボ・ループとを具備する装置。
【請求項２】
さらに、νＬを決めるＥＭ周波数制御回路が含まれることと、前記ＥＭ制御回路がＥＭ周波数制御信号に応答することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記非対称サーボ・ループが前記ＥＭ周波数制御信号を変更することを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記電磁放射線源が、さらに、前記量子吸収体におけるＡＣシュタルク・シフトを変更するための追加周波数成分を発生することと、前記追加周波数成分が、シュタルク・シフト制御信号によって決まる振幅及び／または周波数を備えることと、
前記装置に、さらに、前記シュタルク・シフト制御信号を発生するためのＡＣシュタルク・シフト・サーボ・ループが含まれることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記電磁放射線源に、
第１の信号に応答して、周波数νＬの電磁放射線を発生する放射線源と、
第２の制御信号によって決まる周波数で前記発生した電磁放射線に変調を施す変調器が具備されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記変調器が、さらに、第３の制御信号によって決まるやり方で、前記発生した放射線の位相または周波数及び振幅の変調も行うことと、前記非対称サーボ・ループが前記第２及び第３の制御信号の一方を変更することを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記電磁放射線源がレーザであることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記電磁放射線源に第１及び第２の位相同期レーザが含まれることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記量子吸収体の前記第１及び第２のエネルギー状態が、外部から加えられる電磁界の関数である量だけエネルギーが異なることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記量子吸収体に、水素、または、アルカリ金属またはＩＩＡ及びＩＩＢ族からのイオン、または、Ｙｂ＋が含まれることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記アルカリ金属が、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、及び、セシウムから構成されるグループから選択される同位体であることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記イオンが、Ｂｅ＋、Ｍｇ＋、Ｃａ＋、Ｓｒ＋、Ｂａ＋、Ｚｎ＋、Ｃｄ＋、Ｈｇ＋、及び、Ｙｂ＋から構成されるグループから選択される同位体であることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
ＣＰＴを測定するための方法であって、
共通高エネルギー状態に結合される第１及び第２の低エネルギー状態を備え、前記第１の低エネルギー状態と前記共通高エネルギー状態との間または前記第２の低エネルギー状態と前記共通高エネルギー状態との間の遷移が、νＬ−νの周波数と第１のＣＰＴ成分振幅を備える第１のＣＰＴ発生周波数成分、及び、νＬ＋νの周波数と第２のＣＰＴ成分振幅を備える第２のＣＰＴ発生周波数成分を備える電磁放射線によって誘導される材料を含む量子吸収体を、前記第１及び第２のＣＰＴ発生周波数成分で照射するステップと、
周波数ν０に関して、ある周波数範囲内で周波数νの関数として非対称性を示す、前記量子吸収体を出る電磁放射線のパワーに関連した検出器信号を発生するステップと、
前記検出器信号に応答してνを変更するステップと、
前記非対称性を弱めるように、νＬ、前記第１のＣＰＴ成分振幅、及び、前記第２のＣＰＴ成分振幅の１つを変更するステップを有することを特徴とする方法。
【請求項１４】
νＬが、前記検出器信号に応答して、νＬを制御するＥＭ制御信号を変更することによって変更されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
さらに、追加周波数成分を発生して、前記量子吸収体におけるＡＣシュタルク・シフトを減少させるステップを有することを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記電磁放射線が、電磁放射線源からの電磁放射線を変調することによって発生されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記電磁放射線源が、周波数νＬを備え、周波数νで変調されることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記電磁放射線源にレーザが含まれることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記電磁放射線が第１及び第２の位相同期レーザによって発生されることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記量子吸収体の前記第１及び第２のエネルギー状態が、外部から加えられる電磁界の関数である量だけエネルギーが異なることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記量子吸収体に、水素、または、アルカリ金属またはＩＩＡ及びＩＩＢ族からのイオン、または、Ｙｂ＋が含まれることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項２２】
前記アルカリ金属が、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、及び、セシウムから構成されるグループから選択される同位体であることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記イオンが、Ｂｅ＋、Ｍｇ＋、Ｃａ＋、Ｓｒ＋、Ｂａ＋、Ｚｎ＋、Ｃｄ＋、Ｈｇ＋、及び、Ｙｂ＋から構成されるグループから選択される同位体であることを特徴とする、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コヒーレントポピュレーショントラッピングの応用技術に関し、特に周波数標準の技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
あるクラスの周波数標準では、量子吸収体にコヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）を利用している。ＣＰＴに基づく周波数標準については、参考までに本明細書において援用されている先行技術文献（例えば、特許文献１及び２）に記載がある。こうした周波数標準は、当該技術において既知のところであるため、本明細書では詳述を控えることにする。本論考のため、こうした標準では、それぞれの周波数がνＬ+１／２μ及びνＬ-１／２μの２つの周波数成分（ＣＰＴ発生周波数成分）と、おそらくは、他の追加成分を備える電磁放射線源の出力が量子吸収体に供給されるという点に言及しておけば十分である。ここで、νＬはＣＰＴ発生成分の平均周波数である。電磁放射線源の平均真空波長は、約ｃ／νＬであり、ここで、ｃは真空中における光の速度である。量子吸収体は、２つの低エネルギー状態（状態Ａ及び状態Ｂと呼ぶことにする）と、それぞれ、状態Ａからの遷移及び状態Ｂからの遷移によって到達可能な、ｎの高エネルギー状態を備えている。１≦ｋ≦ｎの場合、高エネルギー状態をＣｋによって表わすことにする。さらに、量子吸収体は、任意の数の他の低エネルギー状態及び高エネルギー状態を備えることが可能である。状態Ｂの平均エネルギーＥＢは、状態Ａの平均エネルギーＥＡ以上であるとみなされる。状態Ｂと状態Ａの周波数差は、μ０＝（ＥＢ−ＥＡ）／ｈによって表わす。ここで、ｈはプランクの定数である。
【０００３】
νＬの値が、周波数がνＬ+１／２μのＣＰＴ発生周波数成分によって、状態Ａと状態Ｃｋの間に遷移が誘導され、周波数がνＬ-１／２μのＣＰＴ発生周波数成分によって、状態Ｂと状態Ｃｋの間に遷移が誘導されるようにするのに必要な値域内に含まれるものと仮定すると、量μ及びμ０がほぼ等しい場合、量子吸収体は、コヒーレントポピュレーショントラッピング（ＣＰＴ）と呼ばれる現象を示すことが可能である。この状況において、量子吸収体によるＣＰＴ発生成分の吸収（及び蛍光発光）は、別様である場合よりも少なく、ＣＰＴ発生成分の量子吸収体の透過は、別様である場合よりも多くなる。μ及びμ０が、固定されたνＬに関して全く等しい場合には、量子吸収体は、ＣＰＴ発生成分の最小吸収（及び蛍光発光）及び最大透過を示す。あるクラスの周波数標準では、ＣＰＴ現象を利用して、周波数源を調整し、周波数μを量子吸収体の透過を最大にする（または、蛍光発光を最小限に抑える）値に維持することによって、その出力周波数がμ０のある関数に等しくなるようにする。μ０が一定のままであれば、μ０を求めるための信頼できる方法が存在する限りにおいて、その周波数源は、正確度の高い周波数標準として利用可能である。
【０００４】
従って、ＣＰＴに基づく信頼性のある正確な周波数標準は、μ０を一定に保たなければならず、また、吸収体の透過を最大にするμの値を信頼できるように求めなければならない。第１のタスクを達成するため、μ０を変化させる各原因を慎重に制御しなければならないか、さもなければ、その原因に対するμ０の感度を低下させる手段を量子吸収体に対して用いなければならない。例えば、量子吸収体が、バッファ・ガスと磁界のあるセル内における８７Ｒｂ蒸気である場合、μ０を変化させる原因の中には、加えられる磁界の強さ及びバッファ・ガス圧の揺動もある。従って、周波数標準の信頼性のある作用のために、磁界及びバッファ・ガス圧の安定度が保証されなければならない。
【０００５】
本論考のため、周波数標準は、量子吸収体の透過を測定するものと仮定する。同様の論法が、蛍光発光、マイクロ波放射、または、他の何らかのパラメータを測定する標準にも当てはまる。一般に、透過パワーＴ（νＬ，μ）は、νＬとμの両方の関数である。従来技術による方法では、μがμ０に近い値であれば、透過曲線は、νＬが固定されている場合、μ０に関するμの対称関数であると仮定するアルゴリズムを利用して、透過を最大にするμの値を求める。透過曲線がこの対称条件を満たさない場合、μ０の決定に誤差を生じることになる。
【０００６】
ＣＰＴ現象を示す量子吸収体では、Ｔ（νＬ，μ）は、νＬが固定されている場合には、μ０に関するμの対称関数でないことが多い。状態Ａと状態Ｃｋの間の遷移に関連したラビ周波数をωＡｋで表わし、状態Ｂと状態Ｃｋの間の遷移に関連したラビ周波数をωＢｋで表わす。次に、νＬが固定状態に保たれている場合、透過曲線Ｔ（νＬ，μ）がμ０に関するμの対称関数であるのは、各高エネルギー状態Ｃｋについて、｜ωＡｋ｜２＝｜ωＢｋ｜２である場合に限られる。ωＡｋとωＢｋとの間のこの関係が、高エネルギー状態Ｃｋのそれぞれについて保たれなければ、Ｔ（νＬ，μ）は、νＬが固定状態に保たれている場合、通常、μ０に関するμの対称関数ではなく、量子吸収体の透過を最大にするμの値の決定に誤差を生じることになる。
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，３６３，０９１号明細書
【特許文献２】米国特許第６，２０１，８２１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
量子吸収体を透過する電磁放射線のパワーは、検出器により検出される。検出器は、検出値に応じた検出信号を出力するが、後に詳述するように、通常、透過曲線はν０に関して非対称になる傾向があり、検出器からの出力信号は、周波数ν０に関する周波数範囲内における周波数の関数として非対称性を示す。かかる場合には、通常のアルゴリズムを用いて、曲線の最大値又はピーク値の位置を求めると、誤差を生じることになる。従って、かかる誤差を低減することのできる、精度をより高めることのできる装置又は方法が望まれていた。なお、従来技術に関する本発明の優位性は、後述の実施形態についての説明の中で、更に詳しく説明される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ＣＰＴを測定するための装置及び方法である。この装置には、電磁放射線源からの放射線によって照射される量子吸収体が含まれている。量子吸収体には、共通高エネルギー状態に結合される第１と第２の低エネルギー状態を備える材料が含まれている。第１の低エネルギー状態と共通高エネルギー状態との間の遷移、または、第２の低エネルギー状態と共通高エネルギー状態との間の遷移は、電磁放射線によって誘導される。電磁放射線源は、第１及び第２のＣＰＴ発生周波数成分を備えた電磁放射線を発生する。第１のＣＰＴ発生周波数成分は、周波数νＬ−νと、第１のＣＰＴ成分振幅を備えている。第２のＣＰＴ発生周波数成分は、周波数νＬ＋νと、第２のＣＰＴ成分振幅を備えている。この装置には、量子吸収体を出る電磁放射線のパワーに関連した検出器信号を発生する検出器も含まれている。検出器信号は、周波数ν０に関する周波数範囲内における周波数の関数として非対称性を示す。この装置には、検出器信号に応答してνを変更するＣＰＴサーボ・ループと、非対称性を弱めるやり方で、νＬ、第１のＣＰＴ成分振幅、及び、第２のＣＰＴ成分振幅の１つを変更する非対称性サーボ・ループが含まれている。
【００１０】
実施態様の１つでは、この装置には、νＬを決定するＥＭ（電磁放射）周波数制御回路が含まれている。ＥＭ制御回路は、ＥＭ周波数制御信号に応答する。この実施態様の場合、非対称性サーボ・ループがＥＭ周波数制御信号を変更する。もう１つの実施態様では、非対称性サーボ・ループは、第１のＣＰＴ成分振幅と第２のＣＰＴ成分振幅の一方または両方を変更する。実施態様の１つでは、電磁放射線源は、さらに、量子吸収体におけるＡＣシュタルク・シフトを変更するため、追加周波数成分を発生するが、この追加周波数成分はＡＣシュタルク・シフト制御信号によって決まる振幅を備えている。この実施態様には、シュタルク・シフト制御信号を発生するＡＣシュタルク・シフト・サーボ・ループが含まれている。実施態様の１つでは、電磁放射線源には、第１の制御信号に応答して、周波数νＬの電磁放射線を発生するための放射源と、第２の制御信号に応答して、周波数νで発生した電磁放射線に変調を施すための変調器が含まれている。実施態様の１つでは、ＥＭ放射線源はレーザを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下の論考を分りやすくするため、ＣＰＴ発生周波数成分が、レーザを変調し、ＣＰＴ発生成分として側波帯のうちの２つを利用することによって生じるものと仮定する。ＣＰＴ発生成分を他の方法によって発生するシステムについては、より詳細に後述することにする。本発明は、サーボ・ループを利用して、レーザ周波数またはレーザ変調パラメータを調整することによって、透過曲線の非対称性を弱めることができるという観測結果に基づくものである。すなわち、透過曲線における非対称性を弱めるやり方で、入射光におけるＣＰＴ発生周波数成分の振幅比を調整することによって、適正なｋ値に関するラビ周波数ωＡｋ及びωＢｋを変更することが可能である。あるいはまた、レーザの中心周波数をオフセットさせることによって、透過曲線の非対称性を弱めることも可能である。さらに、両方のサーボ・ループの組合せを利用することも可能である。
【００１２】
本発明によってその利点が得られる方法については、先行技術によるＣＰＴに基づく基準信号発生器２０のブロック図である、図１を参照することによってより容易に理解することができる。基準信号発生器２０は、マイクロ波発生源２７によって決まる周波数で変調されるレーザ２２を利用する。以下の論考において、変調周波数はνで表わすことにする。レーザ周波数は、νＬで表わすことにする。留意すべきは、この場合、νＬはＣＰＴ発生周波数の平均でもあるという点である。レーザ変調は当該技術において周知のところであるため、図１には、被変調レーザを表わす単一ブロック２２が示されている。強調しておかねばならないのは、電磁放射線源が被変調レーザである必要はないという点である。本論考では、論考を分りやすくするために被変調レーザを利用することにする。
【００１３】
被変調レーザによって発生する光スペクトルが、図２に３０で示されている。このスペクトルは、いくつかの周波数成分を備えている。ＣＰＴ発生成分として任意の２つの周波数成分を選択することが可能である。本論考のため、ＣＰＴ発生周波数成分が、図２に３２及び３３として示す一次側波帯であるものと仮定する。この特定の事例では、μ＝２νである。
【００１４】
図１の吸収セル２４には、周波数差μ０に対応するエネルギー差だけ分離された２つの基底状態である、状態Ａ及び状態Ｂと、それぞれ、独立した電磁界によって一方または両方の基底状態に結合可能な、ｎの励起状態を備える量子吸収体が含まれている。図５には、こうしたエネルギー準位構成の１つが示されている。ＣＰＴ発生周波数成分の１つによって、１６１で示された状態Ａと励起状態の一方との間の遷移が誘導され、もう１つのＣＰＴ発生周波数成分によって、１６２で示された状態Ｂと同じ励起状態との間の遷移が誘導される。
【００１５】
吸収セルは、レーザ周波数νＬが適正に設定されていれば、ＣＰＴ発生周波数成分３２と３３の周波数差、すなわち、２νがμ０に等しい場合に、その吸収が最小になる。量子吸収体を出る電磁放射線の強度は、光検出器２８とコントローラ２９によって検知され、コントローラは、吸収セル２４の透過光を最大にするようにνの値を設定する。従って、吸収セル２４の透過光を最大にするようにマイクロ波周波数νを調整することによって、マイクロ波発生源２７の周波数は、周波数ν０に等しくなる。この場合、ＣＰＴ発生周波数成分３２及び３３は、２ν０に等しい周波数差だけ分離されるが、ν０＝μ０／２である。
【００１６】
上述の論考では、ＣＰＴ発生周波数成分が被変調レーザ信号の一次側波帯であると仮定されている。しかし、サーボ・ループによって、２つの周波数成分間の周波数差を調整することが可能であれば、被変調光信号における任意の２つの周波数成分をＣＰＴ発生周波数成分で利用することが可能である。例えば、より高次の側波帯を利用する標準を構成することも可能である。ＣＰＴ発生成分にＮ次側波帯を利用する場合、ＣＰＴ発生周波数成分は、サーボ・ループによって２Ｎν０の周波数差に設定され、従って、マイクロ波発生源２７の周波数はν０＝μ０／２Ｎになる。同様に、レーザ周波数及び側波帯の１つを利用することもできるし、あるいは、異なる次数の２つの側波帯を利用することも可能である。
【００１７】
以下の論考では、ν０が、利用されている特に選択された周波数成分について、ＣＰＴ発生周波数成分の透過が最大になる変調周波数に利用されることになる。νのマイクロ波変調周波数に関する量子吸収体の光学パワー透過をＴ１（ν）で表わす。上述のように、Ｔ１（ν）はν＝ν０の場合に最大になる。各ｋに関して、｜ωＡｋ｜２＝｜ωＢｋ｜２の場合、Ｔ１（ν）はν０に関する対象関数である、すなわち、Ｔ１（ν）＝Ｔ１（２ν０−ν）。こうした透過関数が、透過関数５０を例示した図３に示されている。この場合、サーボ・システムは、マイクロ波周波数νを変更し、マイクロ波周波数ν−Δν及びν＋Δνで透過を測定することによって、周波数をν０に設定された状態に保つことが可能である。現在のνの設定がν０に等しい場合、５１及び５２で示すように、Ｔ１（ν−Δν）＝Ｔ１（ν＋Δν）になる。νが５９で示すようにν０未満であると仮定すると、５３及び５４で示すように、Ｔ１（ν−Δν）＜Ｔ１（ν＋Δν）になる。この場合、コントローラは、νの現在値を増す。同様に、ν＞ν０の場合、Ｔ１（ν−Δν）＞Ｔ１（ν＋Δν）になり、コントローラは、νの現在値を減らす。
【００１８】
あいにく、電磁放射線源は、量子吸収体におけるその関連ラビ周波数が、各ｋ値に関して条件｜ωＡｋ｜２＝｜ωＢｋ｜２を満たさないＣＰＴ発生周波数成分を発生する可能性がある。こうした場合、透過曲線Ｔ１（ν）がν０に関して対称であることはめったにない。
【００１９】
非対称性透過曲線が図４の５５に示されている。この例の場合、νが増大する場合、透過曲線は、その増大より緩やかに減少する。５６及び５７で示された２つのポイントについて考察してみることにする。これらのポイントは、最大値の異なる側に位置しており、透過値が等しい。これら２つのポイントの平均は、ν０を超える周波数である。従って、上述のアルゴリズムを用いて、最大値の位置を求めると、誤った結果が得られることになる。周波数の誤差が５８で示されている。マイクロ波周波数の他のタイプの変調にも、同様の結果が生じる。
【００２０】
本発明によれば、あるｋ値に関して｜ωＡｋ｜２≠｜ωＢｋ｜２の場合であっても、透過曲線の非対称性を弱めるやり方で、各ＣＰＴ発生周波数成分の絶対振幅を調整するか、または、レーザ周波数νＬを調整することによって、このエラーが減少する。また、これらの方法を組み合わせた実施態様による場合でも、エラーを減少させることが可能である。
【００２１】
本発明では、マイクロ波周波数の関数としての、量子吸収体の透過曲線における非対称性のある測度に関連したエラー信号を発生するサーボ・ループが用いられる。本発明による非対称性検出器の実施態様の１つが、非対称性透過曲線６０を例示した図６を参照することによって、より容易に理解することが可能である。マイクロ波周波数サーボ・ループによって、ポイント６１及び６２が、ある所定のΔν値に関して同じ透過になるように、νが調整済みであるものと仮定する。非対称性誤差検出器は、ν±Δν’のマイクロ波周波数に対応する他の２つのポイント６３及び６４で透過を測定する。実施態様の１つでは、誤差信号はＴ（ν＋Δν’）−Ｔ（ν−Δν’）であるが、２つのポイントにおける透過の差の適合する他の適当な関数を利用することも可能である。
【００２２】
上述の非対称性検出器は、マイクロ波周波数が独立したサーボ・ループによって調整済みであると仮定している。サーボ・ループは、ポイント６１及び６２における透過の差に関連した誤差信号、すなわち、Ｔ（ν＋Δν）−Ｔ（ν−Δν）を利用して、νの値を設定する。
【００２３】
次に、本発明の実施態様の１つによる周波数標準１００のブロック図である図７を参照する。この例の目的からして、量子吸収体１０２はレーザ１０１の光で照射されるものと仮定する。しかし、後述するように、他の形態の電磁放射線を利用することも可能である。量子吸収体１０２を出る光のパワーは、さまざまな誤差検出器及びサーボ・ループによって用いられる出力信号を発生する、光検出器１０３によって測定される。
【００２４】
周波数標準１００は、上述のように変調振幅を制御する変調コントローラ１１１を介してレーザ１０１の出力を変調する、マイクロ波発生源の振幅及び周波数を制御する。マイクロ波の周波数は、サーボ・コントローラ１０８からの制御信号に応答して、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０９によって設定される。レーザ出力信号の周波数及び振幅は、サーボ・コントローラ１０８からの信号に応答して、光学コントローラ１１２によって制御される。
【００２５】
周波数標準１００は、４つのサーボ・ループを利用して、出力信号の周波数を安定化させる。第１のループは、図６に示すポイント６１及び６２が等しくなるまで、ＶＣＯ１０９の出力周波数を変化させることによって、νを設定する。
【００２６】
第２及び第３のループは、νＬを設定する。従来のＣＰＴに基づく周波数標準の場合、νＬは、νＬの関数としての透過曲線が最小値を示すようにνＬを調整する、単一サーボ・ループ１０４によって設定される。例えば、サーボ・コントローラは、レーザ周波数をνＬ＋ΔνＬとνＬ−ΔνＬの間で双方向に切り換える。透過曲線は、これらの周波数のそれぞれにおいて測定され、透過差に関連した誤差信号は、νＬにサーボを加えるために利用される。従来のＣＰＴに基づく周波数標準の場合、これによって、レーザ周波数が、上述の状態Ａ及びＢと共通高エネルギー状態との間の遷移周波数間におけるポイントに設定されることが保証される。本発明は、この値からレーザ周波数をわずかに離調させることによって、νの関数としての透過曲線の対称性を変更することが可能であるという観測結果に基づくものである。離調の量は、上述のように、マイクロ波発生源がν＋Δν'とν−Δν'の間で双方向に切り換えられる際に生じる、透過の差に関連した誤差信号を発生する、非対称性誤差検出器１０５によって決定される。非対称性誤差信号は、レーザ周波数にサーボを加えるために用いられる誤差信号を生じる、レーザ周波数誤差検出器１０４によって発生したレーザ周波数誤差信号をオフセットさせるために利用される。
【００２７】
第４のサーボ・ループは、マイクロ波変調信号の振幅を調整して、ＡＣシュタルク・シフトから生じる誤差を減少させる。上述の３つのサーボによって得られるνの値は、一般に、レーザ１０１からの光の強度によって決まる。従って、レーザ強度が変動すると、νの値が変動することになる。
【００２８】
ＡＣシュタルク・シフトを減少させる方法の１つは、印加される電磁界に追加周波数成分（ＡＣシュタルク・シフト操作周波数成分）を送り込むことによって機能を果たす。ＡＣシュタルク・シフト操作周波数が、上述のＣＰＴ発生周波数成分の振幅に対して適正な振幅及び周波数を備えている場合、ＡＣシュタルク・シフトは大幅に減少する。この場合、ＣＰＴ効果に利用される２つの低状態間におけるエネルギー差は、光強度全体の変動に対して感応しない。
【００２９】
位相または周波数変調レーザを利用して、ＣＰＴ発生周波数成分を発生する場合、全ての非ＣＰＴ発生周波数成分は、ＡＣシュタルク・シフト操作周波数成分の働きをする。ＡＣシュタルク操作周波数成分の相対強度は、レーザを変調するために加えられるマイクロ波信号の振幅を調整することによって制御される。変調振幅は、２つのわずかに異なる強度間でレーザ強度を双方向に切り換え、これらの強度のそれぞれにおいて得られるνの差を測定することによって得られる誤差信号を利用するサーボ・ループによって調整可能である。従って、νの測定値の差は、サーボ・コントローラ１０８によってレーザ１０１に加えられる変調信号の振幅の調整に用いられる誤差信号を発生するために利用される。
【００３０】
次に、本発明の他の１つの実施態様による周波数標準２００の実施態様に関するブロック図である図８を参照する。以下の説明を分りやすくするため、図７に関連して上述の要素と類似したやり方で機能する周波数標準２００の要素は、同じ番号で表示されており、ここでの詳述は控えることにする。
【００３１】
周波数標準２００は、２つのＣＰＴ発生成分の振幅を変更して、上述の透過関数における非対称性を弱める。ＣＰＴ発生成分の相対振幅は、レーザ出力の振幅及び位相の両方を変調することによって変更することが可能である。すなわち、ＣＰＴ発生成分の相対振幅は、振幅変調の深さ及び／または位相を位相変調に関する深さ及び／または位相に対して調整することによって変更可能である。上述のように、位相変調の深さは、ＣＰＴ発生成分と、上述のＡＣシュタルク・シフトにより誤差の減少に利用される他の側波帯との比率の変更にも利用される。周波数標準２００の場合、変調コントローラ２１１は、レーザの位相と振幅の両方の変調を制御するための入力を備えている。これらの一方は、ＡＣシュタルク・シフトの補正に利用され、もう一方は、透過曲線の非対称性を弱めるために利用される。非対称性誤差検出器２０５によって発生する誤差信号は、サーボ・コントローラ２０８によって振幅変調にサーボを加えるために利用され、ＡＣシュタルク・シフト検出器２０６によって発生する誤差信号は、位相変調にサーボを加えるために利用される。
【００３２】
ＣＰＴ発生成分の振幅を調整すると、関連ラビ周波数の絶対値が等化されるので、第２の実施態様によって得られる補正度は、原則的には、レーザ周波数の離調によって得られる補正度よりも大きい。しかし、位相または振幅変調において利用可能なダイナミック・レンジは、場合によっては、ラビ周波数を完全に等化するのに十分ではないこともあり得る。こうした場合、レーザ周波数の離調を利用して、ラビ周波数等化メカニズムの範囲内のレベルにまで、非対称性を弱めることによって、２つの手法を組み合わせることが可能である。
【００３３】
本発明の上述の実施態様では、量子吸収体にＣＰＴを誘導するための電磁放射線の発生源として、被変調レーザを利用する。しかし、他の適合する電磁放射線源を利用することも可能である。例えば、光源は、周波数がサーボで制御可能な量だけ異なる２つのレーザを位相同期させることによって構成可能である。さらに、本発明の教示は、光学範囲外の電磁放射線源にも適用可能である。ＥＭ放射源の変調周波数が、マイクロ波範囲外の可能性があるという点にも留意すべきである。こうした事例は、低エネルギー状態がマイクロ波範囲外の周波数だけ分離されている量子吸収体に生じることになる。
【００３４】
上述の実施態様の場合、ＣＰＴ発生周波数成分は、被変調レーザ・スペクトルにおける２つの側波帯であった。しかし、上記で指摘したように、スペクトル内の任意の２つの周波数成分を利用することが可能である。従って、一般的な事例では、νＬは、２つのＣＰＴ発生成分の平均であり、この平均を求めるコントローラに離調サーボが施される。
【００３５】
同様に、２つの位相同期レーザが利用される場合、離調サーボによって、２つのレーザの平均周波数が設定される。例えば、レーザの一方の周波数を変更することが可能であり、次に、位相同期回路要素によって、もう一方のレーザの周波数が、νを設定するサーボによって指定される周波数差を維持する周波数に移行させられる。
【００３６】
本発明の上記実施態様は、その目標が、その周波数が環境条件の変動に対して比較的無感応な標準信号を生じることにある周波数標準を対象としたものである。しかし、本発明は、磁界強度のようなある物理量を測定するセンサの構成にも利用可能である。ＣＰＴが、量子吸収体に印加される外部磁界によって決まるエネルギー差を備える、２つの低エネルギー状態に基づく量子吸収体について考察することにする。ＣＰＴが最大になる変調周波数を測定することによって、外部磁界の強度を推論することが可能である。
【００３７】
例えば、磁界強度測定装置は、８７Ｒｂの状態間遷移を利用して構成することが可能である。８７Ｒｂの基底状態におけるエネルギー準位は、原子に加えられる外部磁界に応答してシフトする。基底状態のエネルギー差が加えられる磁界の関数である、２つの基底状態が選択される場合、２つのＣＰＴ発生周波数成分間の周波数差によって決まる出力信号の周波数を利用して、磁界を測定することが可能である。同様のセンサを構成して、ＣＰＴ発生に適した量子吸収体における適正なエネルギー状態を選択することにより、電界強度または他の環境変数を測定することも可能である。
【００３８】
上述の量子吸収体は、ＣＰＴ効果を示す任意の材料とすることが可能である。例えば、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、及び、セシウムのようなアルカリ金属を利用することも可能である。さらに、適合するイオン、分子、または、添加物を含む固体材料を利用することも可能である。すなわち、Ｂｅ＋、Ｍｇ＋、Ｃａ＋、Ｓｒ＋、Ｂａ＋、Ｚｎ＋、Ｃｄ＋、Ｈｇ＋、及び、Ｙｂ＋の同位体であるイオンを利用することも可能である。
【００３９】
上述の実施形態に即して本発明を説明すると、本発明は、共通高エネルギー状態に結合される第１及び第２の低エネルギー状態を備え、第１の低エネルギー状態と共通高エネルギー状態との間または第２の低エネルギー状態と共通高エネルギー状態との間の遷移が電磁放射線によって誘導される材料を含む量子吸収体［１０２］と、νＬ−νの周波数と第１のＣＰＴ成分振幅を備える第１のＣＰＴ発生周波数成分、及びνＬ＋νの周波数と第２のＣＰＴ成分振幅を備える第２のＣＰＴ発生周波数成分を備え、第１及び第２のＣＰＴ発生周波数成分が量子吸収体［１０２］を照射することになる電磁放射線を発生する電磁放射線源［１０１］と、周波数ν０に関して、ある周波数範囲内において周波数νの関数として非対称性を示す、量子吸収体［１０２］を出る電磁放射線のパワーに関連した検出器信号を発生するための検出器［１０３］と、検出器信号に応答してνを変更するＣＰＴサーボ・ループ［１０７、１０８、２０８］と、非対称性を弱めるやり方で、νＬ、第１のＣＰＴ成分振幅、及び第２のＣＰＴ成分振幅の１つを変更する非対称サーボ・ループ［１０５、２０５、１０８、２０８］とを具備する装置［１００、２００］を提供する。
【００４０】
好ましくは、さらに、νＬを決めるＥＭ周波数制御回路［１０４、１０８、２０８］が含まれ、ＥＭ周波数制御回路［１０４、１０８、２０８］は、ＥＭ周波数制御信号に応答する。
【００４１】
好ましくは、非対称サーボ・ループ［１０５、２０５、１０８、２０８］がＥＭ周波数制御信号を変更する。
【００４２】
好ましくは、電磁放射線源［１０１］は、量子吸収体［１０２］におけるＡＣシュタルク・シフトを変更するための追加周波数成分を発生し、追加周波数成分がシュタルク・シフト制御信号によって決まる振幅及び／または周波数を備え、装置［１００、２００］に、さらにシュタルク・シフト制御信号を発生するためのＡＣシュタルク・シフト・サーボ・ループ［１０６、２０６、１０８、２０８］が含まれる。
【００４３】
好ましくは、電磁放射線源［１０１］に、第１の信号に応答して、周波数νＬの電磁放射線を発生する放射線源と、第２の制御信号によって決まる周波数で発生した電磁放射線に変調を施す変調器［１１１、２１１］が具備される。
【００４４】
好ましくは、変調器［２１１］は、さらに、第３の制御信号によって決まるやり方で、発生した放射線の位相または周波数及び振幅の変調も行い、非対称サーボ・ループ［１０５、２０５、１０８、２０８］が第２及び第３の制御信号の一方を変更する。
【００４５】
好ましくは、電磁放射線源は、レーザとされる。
【００４６】
好ましくは、電磁放射線源［１０１］に第１及び第２の位相同期レーザが含まれる。
【００４７】
好ましくは、量子吸収体［１０２］の第１及び第２のエネルギー状態が、外部から加えられる電磁界の関数である量だけエネルギーが異なる。
【００４８】
好ましくは、量子吸収体［１０２］に、水素、または、アルカリ金属またはＩＩＡ及びＩＩＢ族からのイオン、または、Ｙｂ＋が含まれる。
【００４９】
好ましくは、アルカリ金属は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、及び、セシウムから構成されるグループから選択される同位体とされる。
【００５０】
好ましくは、イオンは、Ｂｅ＋、Ｍｇ＋、Ｃａ＋、Ｓｒ＋、Ｂａ＋、Ｚｎ＋、Ｃｄ＋、Ｈｇ＋、及び、Ｙｂ＋から構成されるグループから選択される同位体とされる。
【００５１】
更に本発明は、ＣＰＴを測定するための方法であって、共通高エネルギー状態に結合される第１及び第２の低エネルギー状態を備え、第１の低エネルギー状態と共通高エネルギー状態との間または第２の低エネルギー状態と共通高エネルギー状態との間の遷移が、νＬ−νの周波数と第１のＣＰＴ成分振幅を備える第１のＣＰＴ発生周波数成分、及び、νＬ＋νの周波数と第２のＣＰＴ成分振幅を備える第２のＣＰＴ発生周波数成分を備える電磁放射線によって誘導される材料を含む量子吸収体［１０２］を、第１及び第２のＣＰＴ発生周波数成分で照射するステップと、周波数ν０に関して、ある周波数範囲内で周波数νの関数として非対称性を示す、量子吸収体［１０２］を出る電磁放射線のパワーに関連した検出器信号を発生するステップと、検出器信号に応答してνを変更するステップと、非対称性を弱めるように、νＬ、第１のＣＰＴ成分振幅、及び第２のＣＰＴ成分振幅の１つを変更するステップを有することを特徴とする方法を提供する。
【００５２】
好ましくは、νＬは、検出器信号に応答して、νＬを制御するＥＭ制御信号を変更することによって変更される。
【００５３】
好ましくは、さらに、追加周波数成分を発生して量子吸収体［１０２］におけるＡＣシュタルク・シフトを減少させるステップを有する。
【００５４】
好ましくは、電磁放射線は、電磁放射線源［１０１］からの電磁放射線を変調することによって発生される。
【００５５】
好ましくは、電磁放射線源［１０１］は、周波数νＬを備え、周波数νで変調される。
【００５６】
好ましくは、電磁放射線源［１０１］にレーザが含まれる。
【００５７】
好ましくは、電磁放射線が第１及び第２の位相同期レーザによって発生される。
【００５８】
好ましくは、量子吸収体［１０２］の第１及び第２のエネルギー状態が、外部から加えられる電磁界の関数である量だけエネルギーが異なるようにされる。
【００５９】
好ましくは、量子吸収体［１０２］に、水素、または、アルカリ金属またはＩＩＡ及びＩＩＢ族からのイオン、または、Ｙｂ＋が含まれる。
【００６０】
好ましくは、アルカリ金属は、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、及び、セシウムから構成されるグループから選択される同位体とされる。
【００６１】
好ましくは、イオンは、Ｂｅ＋、Ｍｇ＋、Ｃａ＋、Ｓｒ＋、Ｂａ＋、Ｚｎ＋、Ｃｄ＋、Ｈｇ＋、及び、Ｙｂ＋から構成されるグループから選択される同位体とされる。
【００６２】
以上のように、本発明の好適となる実施形態について説明したが、これはあくまでも例示的なものであり、当業者によって、更に様々な変形・変更が可能であることは明らかである。従って、本発明は、特許請求の範囲によってのみ制限されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】従来技術によるＣＰＴに基づく基準信号発生器のブロック図である。
【図２】図１の被変調レーザによって発生する光スペクトルを例示した図である。
【図３】対称透過関数を例示した図である。
【図４】透過関数が非対称性の場合に生じる誤差を例示した図である。
【図５】典型的なＣＰＴ量子吸収体におけるエネルギー準位のいくつかを例示した図である。
【図６】本発明のサーボ・ループのいくつかによって用いられる非対称透過関数及びポイントを例示した図である。
【図７】本発明の実施態様の１つによる周波数標準のブロック図である。
【図８】本発明の他の１つの実施態様による周波数標準のブロック図である。
【符号の説明】
【００６４】
１００  装置
１０１  電磁放射線源
１０２  量子吸収体
１０３  検出器
１０４  ＥＭ周波数制御回路
１０５  非対称サーボ・ループ
１０７  ＣＰＴサーボ・ループ
１０８  ＣＰＴサーボ・ループ
１１１  変調器
２００  装置
２０５  非対称サーボ・ループ
２０８  ＣＰＴサーボ・ループ
２１１  変調器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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